Pendant des décennies, les scientifiques ont cru qu’un groupe important de bactéries océaniques était parfaitement adapté à la vie dans des eaux où il y a très peu de nourriture. De nouvelles recherches suggèrent que cette hypothèse pourrait être incomplète. Ces microbes semblent être beaucoup plus sensibles aux changements environnementaux qu’on ne le pensait auparavant.
La bactérie, appelée SAR11, est la forme de vie la plus abondante dans les eaux de surface du monde. Dans certaines régions, elles représentent jusqu’à 40 % de toutes les cellules bactériennes marines. Leur domination vient de la rationalisation du génome, une stratégie évolutive dans laquelle les organismes perdent des gènes pour conserver l’énergie dans des environnements pauvres en nutriments.
Une étude publiée dans Microbiologie naturelle montre maintenant que cette efficacité extrême peut également créer de sérieuses limitations.
« L’extraordinaire succès évolutif de SAR11 en matière d’adaptation et de domination d’environnements stables pauvres en nutriments pourrait l’avoir rendu vulnérable aux océans qui subissent davantage de changements. Il se peut qu’il se soit transformé en un piège », explique Cameron Thrash, professeur de sciences biologiques et de sciences de la Terre et auteur correspondant de l’étude.
Adaptation avec une faiblesse intrinsèque
Pour comprendre comment SAR11 réagit au stress environnemental, les chercheurs ont examiné des centaines de génomes de SAR11. Ils ont découvert que de nombreuses souches sont dépourvues des gènes normalement responsables de la régulation du cycle cellulaire, le système qui contrôle la réplication de l’ADN et la division cellulaire. Chez la plupart des bactéries, ces gènes sont essentiels à la croissance et à la survie normales.
Lorsque les conditions environnementales changent, l’absence de cette réglementation semble créer des problèmes majeurs. Les scientifiques avaient déjà remarqué que les populations de SAR11 sont sensibles aux changements de leur environnement. Ce qui ressort de cette étude est la façon inhabituelle dont les cellules réagissent au stress.
Au lieu de ralentir leur croissance, de nombreuses cellules SAR11 ont continué à copier leur ADN mais n’ont pas réussi à se diviser.
« La réplication de leur ADN et leur division cellulaire se sont découplées. Les cellules ont continué à copier leur ADN mais n’ont pas réussi à se diviser correctement, produisant des cellules avec un nombre anormal de chromosomes », explique Chuankai Cheng, doctorant en sciences biologiques et auteur principal de l’étude. « La surprise a été qu’une signature cellulaire aussi claire et reproductible soit apparue. »
Pourquoi la défaillance cellulaire ralentit la croissance démographique
Les cellules comportant des chromosomes supplémentaires devenaient souvent plus grosses que la normale et finissaient par mourir. Même lorsque les nutriments étaient facilement disponibles, ces échecs ont réduit la croissance globale de la population. Cette découverte remet en question la croyance commune selon laquelle les microbes prospéreront toujours lorsque la nourriture deviendra abondante.
Les résultats mettent également en lumière une énigme de longue date en matière d’écologie océanique. Les populations de SAR11 diminuent souvent au cours des derniers stades de la prolifération du phytoplancton, période marquée par une augmentation des niveaux de matière organique dans l’eau.
« Nous savons depuis longtemps que ces organismes ne sont pas particulièrement adaptés aux derniers stades de prolifération du phytoplancton », explique Thrash. « Nous avons maintenant une explication : les stades tardifs de floraison sont associés à une augmentation de la nouvelle matière organique dissoute qui peut perturber ces organismes, les rendant moins compétitifs. »
Implications pour le changement climatique et la santé des océans
L’étude a des implications importantes pour comprendre comment les écosystèmes marins peuvent réagir au changement climatique. Les bactéries SAR11 jouent un rôle central dans le cycle du carbone océanique, aidant à réguler la façon dont le carbone se déplace dans les réseaux trophiques marins. Leur sensibilité au réchauffement et aux apports soudains de nutriments pourrait modifier l’équilibre des communautés microbiennes à mesure que les conditions océaniques deviennent moins stables.
« Ce travail met en évidence une nouvelle façon dont le changement environnemental peut affecter les écosystèmes marins, non seulement en limitant les ressources, mais en perturbant la physiologie interne des micro-organismes dominants », a déclaré Cheng. À mesure que la stabilité de l’environnement décline, a-t-il ajouté, les organismes dotés d’une plus grande flexibilité réglementaire pourraient bénéficier d’un avantage.
Les chercheurs prévoient de se concentrer ensuite sur l’identification des processus moléculaires à l’origine de ces perturbations. Il est essentiel d’avoir une idée plus claire du fonctionnement de SAR11, compte tenu de l’étendue et de l’influence de ces bactéries dans l’océan mondial.
À propos de l’étude
Outre Cheng et Thrash, l’équipe de recherche comprend Brittany Bennett, Pratixa Savalia, Hasti Asrari, Carmen Biel et Kate Evans de l’USC Dornsife, ainsi que Rui Tang de l’Université de Californie à San Diego.
Le travail a été soutenu par un prix de chercheur en début de carrière en écologie et évolution microbiennes marines de la Fondation Simons et un prix de chercheur en écologie microbienne aquatique de la Fondation Simons.